JP7375858B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子に関するものである。

磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果により積層方向の抵抗値が変化する素子である。磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層とこれらに挟まれた非磁性層とを備える。非磁性層に導体が用いられた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子と言われ、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）が用いられた磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子と言われる。

磁気抵抗効果素子は、非磁性層を挟む２つの強磁性体の磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、２つの磁化が平行な状態で最小を示し、反平行の状態で最大を示す。磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化率は、ＭＲ比で表される。ＭＲ比は、反平行状態と平行状態との抵抗値の差を平行状態の抵抗値で割った比率である。

特許文献１には、磁性層にホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子が記載されている。ホイスラー合金は高いスピン分極率を有し、ホイスラー合金を用いると磁気抵抗効果素子のＭＲ比が大きくなる。

特開２０１０－０３４１５２号公報

ホイスラー合金は、理論的には高い分極率を有し、大きなＭＲ比が得られると言われている。しかしながら、現実には他の層からの原子拡散等によりホイスラー合金の結晶構造が乱れ、予想されるほどの高いＭＲ比を得ることができなかった。

本発明は、このような実情に鑑み、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）をより大きくできる磁気抵抗効果素子を提供することを課題とする。

本発明者らは、ホイスラー合金に強磁性層を積層し、これらの間に一部が連続しない重金属層を設けることで、磁気抵抗効果素子のＭＲ比が向上することを見出した。本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性金属層と、を備え、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち少なくとも一方は、ホイスラー合金を含む第１層と、前記第１層と異なる第２層と、前記第１層と前記第２層との間に位置し重金属領域を含む重金属層と、を有し、前記重金属領域は、原子番号が３９以上の重金属元素を含み、前記重金属領域は、不連続又は開口を有する連続な領域であり、前記重金属領域と前記第１層及び前記第２層との界面において結晶構造が連続している。

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記重金属層の厚みが、前記重金属元素の直径の３倍以下であってもよい。

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記重金属領域の格子定数と前記第１層及び前記第２層の格子定数との格子整合度が、５％以内であってもよい。

（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記重金属元素は、Ａｇ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｈからなる群から選択される何れか一つ以上であってもよい。

（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記重金属元素は、組成式Ｐｔ_αＺ_１－αで示され、組成式におけるＺは、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕからなる群から選択される何れか一つ以上であってもよい。

（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、組成式におけるαが０．６＜α＜０．９を満たしてもよい。

（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記重金属元素は、Ａｇ又はＡｇを含む合金であってもよい。

（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記重金属元素は、前記非磁性金属層を構成する元素を含んでもよい。

（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金は、組成式Ｃｏ_２Ｌ_βＭ_γで表され、組成式におけるＬは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒからなる群から選択される何れか一つ以上であり、組成式におけるＭは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択される何れか一つ以上であってもよい。

（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、組成式におけるβとγが２．０＜β＋γ＜２．６を満たしてもよい。

（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２層が、ＣｏとＦｅとを含む合金であってもよい。

（１２）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１層は、前記第２層より前記非磁性金属層の近くに位置してもよい。

（１３）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１層の膜厚は、前記第１層のスピン拡散長より厚く、前記第２層の膜厚は、前記第２層のスピン拡散長より薄くてもよい。

（１４）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層が、前記第１層と前記第２層と前記重金属領域を含む重金属層と、を有してもよい。

（１５）上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層における重金属層の面積と、前記第２強磁性層における重金属層の面積とが異なってもよい。

本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、大きなＭＲ比を示す。

第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の重金属層の平面図である。 第１実施形態にかかる重金属層の要部を拡大した模式図である。 第１変形例にかかる磁気抵抗効果の断面図である。 第２変形例にかかる磁気抵抗効果の断面図である。 第３変形例にかかる磁気抵抗効果の断面図である。 第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子の重金属層の平面図である。 適用例１にかかる磁気記録素子の断面図である。 適用例２にかかる磁気記録素子の断面図である。

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

「磁気抵抗効果素子」
図１は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。図１は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１００を切断した断面図である。磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０と非磁性金属層３０とを有する。図１では、基板４０、下地層５０及びキャップ層６０を同時に図示している。

（第１強磁性層、第２強磁性層）
第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０は磁性体である。第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１０の磁化と第２強磁性層２０の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。

第２強磁性層２０の磁化は、例えば、第１強磁性層１０の磁化より動きにくい。所定の外力を加えた場合に、第２強磁性層２０の磁化の向きは変化せず（固定され）、第１強磁性層１０の磁化の向きは変化する。第２強磁性層２０の磁化の向きに対して第１強磁性層１０の磁化の向きが変化することで、磁気抵抗効果素子１００の抵抗値は変化する。この場合、第２強磁性層２０は磁化固定層と言われ、第１強磁性層１０は磁化自由層と呼ばれる場合がある。以下、第１強磁性層１０が磁化自由層、第２強磁性層２０が磁化固定層の場合を例に説明をする。

所定の外力を印加した際の第２強磁性層２０の磁化と第１強磁性層１０の磁化との動きやすさの差は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との保磁力の違いにより生じる。例えば、第２強磁性層２０の厚みを第１強磁性層１０の厚みより厚くすると、第２強磁性層２０の保磁力が第１強磁性層１０の保磁力より大きくなる。また例えば、第２強磁性層２０の非磁性金属層３０と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を設ける。第２強磁性層２０、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層２０と反強磁性層とが反強磁性カップリングするとことで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層２０の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。厚みにより保磁力差を生み出す方法は、反強磁性層等の寄生抵抗の原因となりうる追加の層が不要である。一方で、ＳＡＦ構造により保磁力差を生み出す方法は、第２強磁性層２０の磁化の配向性を高めることができる。

第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０は、それぞれ第１層１１、２１と第２層１２、２２と重金属層１３、２３とを備える。

第１層１１、２１は、ホイスラー合金を含む。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺ又はＸ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。第１層１１と第１層２１とは、同じ組成でも異なる組成でもよい。

ホイスラー合金は、組成式Ｃｏ_２Ｌ_βＭ_γで表されるものが好ましい。組成式におけるＬは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒからなる群から選択される何れか一つ以上であり、組成式におけるＭは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択される何れか一つ以上である。Ｃｏ系のホイスラー合金は、キュリー温度が高い。Ｃｏ系のホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子は、室温においてもＭＲ比が大きい。また組成式におけるβとγは、２．０＜β＋γ＜２．６を満たすことが好ましい。組成式におけるβ及びγが当該範囲だと、Ｃｏ原子が他の原子サイトを置換するアンチサイトが生じにくく、ホイスラー合金の高スピン分極率の特性を維持できる。ホイスラー合金は、例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等である。

図１に示すように、第１層１１、２１は、例えば、第２層１２、２２より非磁性金属層３０の近くに位置する。磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比は、非磁性金属層３０を挟む２つの磁性体の磁化の相対角の違いにより生じる。したがって、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比に特に大きな影響を及ぼすのは、非磁性金属層３０に接する２つの強磁性層である。ホイスラー合金を有し、スピン分極率の高い第１層１１、２１が非磁性金属層３０に接することで、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比をより大きくできる。

また第１層１１、２１の積層方向の厚みは、第１層１１、２１のスピン拡散長より厚いことが好ましい。スピン拡散長は、スピンの情報を保存したまま電子が移動できる距離である。また第１層１１、２１の厚みは、例えば、第２層１２、２２の厚みより厚いことが好ましい。第１層１１、２１が第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０の主の部分を占めることで、スピン分極率の高いホイスラー合金を用いた効果を高め、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比をより大きくできる。

第２層１２、２２は、第１層１１、２１と異なる磁性体である。第２層１２は、第１層１１と対向する。第２層２２は、第１層２１と対向する。第２層１２、２２は、第１層１１、２１と磁気的にカップリングしている。第１層１１、２１の磁化の配向方向が変化すると第２層１２、２２の磁化の配向方向も変化する。

第２層１２、２２は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金を含む。第２層１２、２２は、例えば、ＣｏとＦｅとを含む合金を含む。第１層１１、２１を構成するホイスラー合金は、積層界面付近で磁化の安定性が低いことが報告されている。一方、ＣｏとＦｅの合金は、磁化の安定性が高く、第１層１１、２１を構成するホイスラー合金との格子整合性も高い。第２層１２、２２にＣｏとＦｅの合金を用いた磁気抵抗効果素子は、第１層１１、２１を構成するホイスラー合金の磁化を安定させるため、室温においてもＭＲ比が大きい。第２層１２、２２は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂである。

第２層１２、２２の積層方向の厚みは、第２層１２、２２のスピン拡散長より薄いことが好ましい。また第２層１２、２２の厚みは、例えば、第１層１１、２１の厚みより薄いことが好ましい。

重金属層１３は第１層１１と第２層１２との間に位置し、重金属層２３は第１層２１と第２層２２との間に位置する。図２は、磁気抵抗効果素子１００の重金属層１３の平面図である。重金属層１３は、第１領域１４と第２領域１５とを有する。

第１領域１４は、原子番号が３９以上の重金属元素を含む重金属領域である。第２領域１５は、第１領域１４以外の領域である。第２領域１５は、例えば、第１層１１及び第２層１２の一部であり、これらと同様の材料からなる。第１領域１４は、重金属層１３内に不連続に存在する。第１領域１４は、例えば、重金属層１３内に島状に存在する。第２領域１５は、開口を有する連続な領域である。第２領域１５の開口は、第１領域１４を構成する重金属で充填されている。第１領域１４が重金属層１３の全面に存在しないことで、第１層１１と第２層１２が磁気カップリングする。

重金属層１３の厚みは、第１領域１４を構成する重金属元素の直径の３倍以下であることが好ましく、重金属元素の直径の２倍以下であることがより好ましく、重金属元素の直径以下であることがさらに好ましい。重金属層１３は、例えばスパッタリング法を用いて形成する。この程度の膜厚を成膜すると、成膜元素は通常均一な層とならず、部分的に凝集し、点在する。すなわち、重金属層１３の厚みが上記の範囲であると、第１領域１４を部分的に不連続に形成しやすい。

第１領域１４は、第１層１１及び第２層１２と結晶構造が連続する。結晶構造が連続するとは、第１領域１４の近傍を透過型電子顕微鏡で測定した際に、原子が連続的に配列していることをいう。原子が連続的に配列するとは、成膜方向に原子同士を繋ぐ線が途切れないことを意味する。第１領域１４が第１層１１及び第２層１２に対してエピタキシャル成長していると、第１領域１４と第１層１１及び第２層１２との間で、結晶構造が連続する。

図３は、本実施形態にかかる重金属層１３の要部を拡大した模式図である。第１層１１、第２層１２及び重金属層１３は、それぞれ原子Ａにより構成されている。図３において、第１層１１、第２層１２及び重金属層１３を構成する原子Ａは、積層方向に連続している。第１領域の格子定数Ｌ１４と、第１層１１及び第２層１２の格子定数Ｌ１１、Ｌ１２との格子整合度は５％以内であることが好ましい。格子整合度は、第１領域の格子定数Ｌ１４を基準とした際の第１層１１又は第２層１２の格子定数Ｌ１１、Ｌ１２のずれの程度である。なお、説明の便宜上により代表して原子Ａとしたが、第１層、第２層、重金属層を構成する原子により、それぞれ原子Ａは異なる。

図２及び図３では、代表して重金属層１３を図示したが、重金属層２３も同様である。

重金属層１３、２３に含まれる重金属元素は、原子番号が３９以上である。重金属元素は、Ａｇ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｈからなる群から選択される何れか一つ以上を含むことが好ましい。

重金属層１３、２３に含まれる重金属元素は、例えば、組成式Ｐｔ_αＺ_１－αで示されるものである。組成式におけるＺは、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕからなる群から選択される何れか一つ以上である。また組成式におけるαは、０．６＜α＜０．９を満たすことが好ましい。第１領域１４がこれらの材料により構成されると、第１領域１４とホイスラー合金（第１層１１）及びＣｏＦｅ合金（第２層１２）との格子整合度が高まる。格子整合度が高いと、結晶構造に歪が少なく、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比が大きくなる。

また重金属層１３、２３に含まれる重金属元素は、例えば、Ａｇ又はＡｇを含む合金である。Ａｇ又はＡｇを含む合金は抵抗が低く、これらの材料を重金属層１３、２３に用いると磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比が大きくなる。またＡｇ又はＡｇを含む合金は、ホイスラー合金（第１層１１）及びＣｏＦｅ合金（第２層１２）との格子整合度が高い。

また重金属層１３、２３は、非磁性金属層３０又は下地層５０を構成する材料と同様の材料により構成されていてもよい。すなわち、重金属層１３、２３は、非磁性金属層３０又は下地層５０を構成する材料を含んでもよい。

非磁性金属層３０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に位置する。非磁性金属層３０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０とに挟まれる。

非磁性金属層３０は、例えば、非磁性の金属からなる。非磁性金属層３０は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ等である。非磁性金属層３０は、主の構成元素としてＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群から選択されるいずれかを含むことが好ましい。主の構成元素とは、化学量論組成式において、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒが占める割合が５０％以上となることを意味する。非磁性金属層３０は、Ａｇを含むことが好ましく、主の構成元素としてＡｇを含むことが好ましい。

非磁性金属層３０は、例えば厚みが１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下 である。非磁性金属層３０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との磁気的な結合を阻害する。

基板４０は、磁気抵抗効果素子１００の土台となる部分である。基板４０は、平坦性に優れた材料を用いることが好ましい。基板４０は、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、熱酸化膜付シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミック、石英、及びガラスを含む。基板４０に含まれる材料は、適度な機械的強度を有し、且つ熱処理や微細加工に適した材料であれば、特に限定されない。金属酸化物単結晶としては、例えば、ＭｇＯ単結晶が挙げられ、ＭｇＯ単結晶を含む基板によれば、例えば、スパッタ法を用いて容易にエピタキシャル成長膜が形成される。このエピタキシャル成長膜は、大きな磁気抵抗特性を示すことができる。基板４０は目的とする製品によって異なる。製品がＭＲＡＭの場合、基板４０は、例えば、回路構造を有するＳｉ基板である。製品が磁気ヘッドの場合、基板４０は、例えば、加工しやすいＡｌＴｉＣ基板である。

下地層５０は、基板４０と磁気抵抗効果素子１００との間に位置する。下地層５０は、導電性の材料、絶縁性の材料のいずれでもよい。下地層５０が電極を兼ねる場合は、下地層５０は導電性材料を含む。下地層５０は、下地層５０上に積層される第１強磁性層１０、非磁性金属層３０及び第２強磁性層２０の結晶性を高めるための層である。

下地層５０は、例えば、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有する。ＮａＣｌ構造を有する下地層５０は、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｖ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｂ，Ａｌ，Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物、又は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物である。

また別の例として、下地層５０は、例えば、ＡＢＯ_３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層である。サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。

また別の例として、下地層５０は、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１つの元素を含む。また、これらの金属元素の合金、これら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでもよい。金属元素の合金には、立方晶系のＡｇＺｎ合金、ＡｇＭｇ合金、ＣｏＡｌ合金、ＦｅＡｌ合金及びＮｉＡｌ合金が含まれる。

キャップ層６０は、磁気抵抗効果素子１００の基板４０と反対側に位置する。キャップ層６０は、磁気抵抗層３０を保護するために設けられる。キャップ層６０は、第２強磁性層２０からの元素の拡散を抑制する。またキャップ層６０は、磁気抵抗効果素子１００の各層の結晶配向性にも寄与する。キャップ層６０を有すると、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０の磁化が安定化し、磁気抵抗効果素子１００を低抵抗化することができる。

キャップ層６０は、例えば、導電性が高い材料を含む。キャップ層６０は、例えば、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、及びＩｒの一以上の金属元素、これら金属元素の合金、又は、これら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでよい。

次いで、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、第１強磁性層１０、非磁性金属層３０、第２強磁性層２０を順に積層して得られる。各層の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法である。

第１強磁性層１０の各層は、例えば、スパッタリング法を用いて成膜する。例えば、第２層１２をまず形成する。次いで、第２層１２の表面に重金属元素をスパッタリングする。重金属元素は、原子数層分の厚みで積層する。スパッタリング法で成膜される重金属元素は、原子数層分の均一な層とはならず、一部に重金属元素が偏在する。また重金属元素の一部は、第２層１２に打ち込まれ、第２層１２に侵入する。その結果、第１領域１４と第２領域１５とを有する重金属層１３が形成される。次いで、第１層１１を形成することで、第１強磁性層１０が形成される。第２強磁性層２０についても、第１層２１を第２層２２より先に成膜する点以外は、同様である。

また磁気抵抗効果素子１００を積層後に、磁気抵抗効果素子１００をアニールしてもよい。アニールにより各層の結晶性が高まる。

第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００は、第１層１１、２１と第２層１２、２２との間に、重金属層１３、２３を有する。重金属は、原子半径が大きく重いため、第２層１２、２２の元素が第１層１１、２１へ拡散することを抑制する。第２層１２、２２の元素が第１層１１、２１へ拡散すると、ホイスラー合金の結晶構造が乱れたり、アンチサイトが生じたりし、ホイスラー合金のスピン分極率の低下の一因となる。重金属層１３、２３が第１層１１、２１と第２層１２、２２との間の元素拡散を防ぐことで、ホイスラー合金の高いスピン分極率が維持され、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比を高めることができる。

表１～表３は、磁気抵抗効果素子の格子整合度の例を示すための表である。具体的には、表１は、本実施形態の重金属層１３、２３を構成し得る材料の例（第１例～第１７例）及びＣｏＦｅ（第１８例）と、それらの材料が立方晶系の結晶構造を有する場合の格子定数の文献値を示す表である。表２は、本実施形態の第１層１１、２１を構成し得る材料の例（合金Ａ～合金Ｈ）と、それらの材料の格子定数の文献値を示す表である。

表３は、表１に示す第１例～第１８例のそれぞれに対する、表２に示す合金Ａ～合金Ｈのそれぞれの格子整合度を示す表である。表３における格子整合度は、百分率で示され、下記の式（１）又は式（２）によって求められる。第１例～第１７例のそれぞれの（００１）面の［１１０］方向と、合金Ａ～合金Ｈのそれぞれの（００１）面の［１００］方向とが格子整合する場合は式（１）により格子整合度が求められる。第１８例は（００１）面の［１００］方向と、合金Ａ～合金Ｈのそれぞれの（００１）面の［１００］方向とが格子整合し、式（２）により格子整合度が求められる。また、式（１）又は式（２）において、ａは、表１に示す第１例～第１８例の格子定数、ｂは、表２に示す合金Ａ～合金Ｈの格子定数を示す。また、√２は、２の平方根を意味する。
格子整合度（％）＝（（ａ×√２－ｂ）／ｂ）×１００（％） …（１）
格子整合度（％）＝（（２ａ－ｂ）／ｂ）×１００（％） …（２）

表３には、第１例～第１７例の評価結果も示されている。表３では、第１例～第１７例のうち、合金Ａ～合金Ｈの３つ以上に対して、第１８例における格子整合度よりも小さい格子整合度を示す例について、「特に良好」を意味する「Ａ」と評価している。また、第１例～第１７例のうち、合金Ａ～合金Ｈの１つ以上２つ以下において、第１８例における格子整合度よりも小さい格子整合度を示す例について、「良好」を意味する「Ｂ」と評価している。

表３に示すように、第１例～第１７例では、「Ａ」又は「Ｂ」と評価されている。評価Ｂの例の材料を本実施形態の重金属層１３、２３として用いれば、第１層１１、２１、及び第２層１２、２２との格子整合も良好であるため第１強磁性層１０、及び第２強磁性層２０の結晶性が向上し、大きな磁気抵抗効果を発揮すると考えられる。評価Ａの例の材料を本実施形態の重金属層１３、２３として用いれば、第１層１１、２１、及び第２層１２、２２との格子整合も良好であるため第１強磁性層１０、及び第２強磁性層２０の結晶性が向上し、さらに大きな磁気抵抗効果を発揮すると考えられる。

以上、第１実施形態の一例について詳述したが、この例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、非磁性金属層３０に変えて、絶縁体又は半導体からなる非磁性層を用いてもよい。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等である。

また図４は、第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０１の断面図である。磁気抵抗効果素子１０１は、第１層１１、２１と第２層１２、２２の位置関係が反対である点が、図１に示す磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１と同様の構成については、同様の符号を付す。

第２強磁性層２０Ａは、非磁性金属層３０に近い側から順に、第２層２２、重金属層２３、第１層２１を有する。第１強磁性層１０Ａは、非磁性金属層３０に近い側から順に、第２層１２、重金属層１３、第１層１１を有する。

第１変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０１も、第１層１１、２１と第２層１２、２２との間に重金属層１３、２３を有するため、第１層１１、２１と第２層１２、２２との間の元素拡散が抑制されている。したがって、磁気抵抗効果素子１０１は、大きなＭＲ比を示す。

また図５は、第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０２の断面図である。磁気抵抗効果素子１０２は、第２強磁性層２０Ｂが第１層２１と第２層２２からなり、重金属層２３を有さない点が、図１に示す磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１と同様の構成については、同様の符号を付す。

第２変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０２も、第１層１１と第２層１２との間に重金属層１３を有するため、第１層１１と第２層１２との間の元素拡散が抑制されている。したがって、磁気抵抗効果素子１０２は、大きなＭＲ比を示す。またここでは、第２強磁性層２０Ｂが重金属層２３を有さない構成を例示したが、第１強磁性層１０が重金属層１３を有さない構成でもよい。磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０とのうち少なくとも一方が、第１層と第２層と重金属層と、を有すればよい。

また図６は、第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０３の断面図である。磁気抵抗効果素子１０３は、磁気抵抗効果素子１０３の側面が積層面に対して傾斜している点が、図１に示す磁気抵抗効果素子１００と異なる。図１と同様の構成については、同様の符号を付す。

磁気抵抗効果素子１０３は、第１強磁性層１０Ｃと第２強磁性層２０Ｃと非磁性金属層３０Ｃと基板４０と下地層５０Ｃとキャップ層６０Ｃとを有する。第１強磁性層１０Ｃ、第２強磁性層２０Ｃ、非磁性金属層３０Ｃ、下地層５０Ｃ及びキャップ層６０Ｃは、側面が積層面に対して傾斜している。磁気抵抗効果素子１０３は、基板４０に近づくにつれて外周長又は外径が大きくなっている。断面図において、磁気抵抗効果素子１０３の幅は、基板４０に近づくにつれて広がっている。

第１強磁性層１０Ｃは、第１層１１Ｃと第２層１２Ｃと重金属層１３Ｃとを有する。第２強磁性層２０Ｃは、第１層２１Ｃと第２層２２Ｃと重金属層２３Ｃとを有する。第１強磁性層１０Ｃにおける重金属層１３Ｃの面積と、第２強磁性層２０Ｃにおける重金属層２３Ｃの面積とは、異なる。例えば、重金属層１３Ｃの面積は、重金属層２３Ｃの面積より大きい。磁気抵抗効果素子１０３は、下地層５０Ｃからの影響がキャップ層６０Ｃからの影響より大きい。下地層５０Ｃに近い側の重金属層１３Ｃの面積が大きいことで、下地層５０Ｃからの影響をより抑制できる。

第３変形例にかかる磁気抵抗効果素子１０３も、第１層１１Ｃ、２１Ｃと第２層１２Ｃ、２２Ｃとの間に重金属層１３Ｃ、２３Ｃを有するため、第１層１１Ｃ、２１Ｃと第２層１２Ｃ、２２Ｃとの間の元素拡散が抑制されている。したがって、磁気抵抗効果素子１０３は、大きなＭＲ比を示す。

また図７は、第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子の重金属層１３Ａの平面図である。重金属層１３Ａは、第１領域１４Ａと第２領域１５Ａとを有する。第１領域１４Ａと第２領域１５Ａの関係が、図２に示す重金属層１３と異なる。

第１領域１４Ａは、原子番号が３９以上の重金属元素を含む重金属領域である。第２領域１５Ａは、第１領域１４Ａ以外の領域である。第１領域１４Ａは、開口を有する連続な領域である。第１領域１４Ａの開口は、第１層又は第２層を構成する材料で充填されている。第２領域１５Ａは、重金属層１３Ａ内に不連続に存在する。第２領域１５Ａは、例えば、重金属層１３Ａ内に島状に存在する。

第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子も、第１層と第２層との間に重金属層１３Ａを有するため、第１層と第２層との間の元素拡散が抑制されている。したがって、第４変形例にかかる磁気抵抗効果素子は、大きなＭＲ比を示す。

次いで、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１００の適用例について説明する。磁気抵抗効果素子１００は、例えば、磁気センサ、ＭＲＡＭなどのメモリ等に利用できる。

図８は、適用例１にかかる磁気記録素子２００の断面図である。図８は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１００を切断した断面図である。図８に示す磁気記録素子２００は、磁気抵抗効果素子１００の適用例の一例である。

磁気記録素子２００は、磁気抵抗効果素子１００と第１電極５１と第２電極６１と電源７０と測定部８０とを有する。第１電極５１は、磁気抵抗効果素子１００の下地層５０を兼ねてもよい。第２電極６１は、磁気抵抗効果素子１００のキャップ層６０を兼ねてもよい。電源７０及び測定部８０は、第１電極５１と第２電極６１とのそれぞれに接続されている。電源７０は、磁気抵抗効果素子１００の積層方向に電位差を与える。測定部８０は、磁気抵抗効果素子１００の積層方向の抵抗値を測定する。

電源７０により第１電極５１と第２電極６１との間に電位差を生み出すと、磁気抵抗効果素子１００の積層方向に電流が流れる。電流は、第２強磁性層２０を通過する際にスピン偏極し、スピン偏極電流となる。スピン偏極電流は、非磁性金属層３０を介して、第１強磁性層１０に至る。第１強磁性層１０の磁化は、スピン偏極電流によるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を受けて磁化反転する。第１強磁性層１０の磁化の向きと第２強磁性層２０の磁化の向きとが変化することで、磁気抵抗効果素子１００の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１００の積層方向の抵抗値は、測定部８０で読み出される。すなわち、図８に示す磁気記録素子２００は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）型の磁気記録素子である。

図９は、適用例２にかかる磁気記録素子２０１の断面図である。図９は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１００を切断した断面図である。図９に示す磁気記録素子２０１は、磁気抵抗効果素子１００の適用例の一例である。

磁気記録素子２０１は、磁気抵抗効果素子１００と第１配線５２と第２電極６２と電源７１と測定部８１とを有する。第２電極６２は、磁気抵抗効果素子１００の積層方向の第１面に接続されている。第１配線５２は、磁気抵抗効果素子１００の積層方向の第２面に接続されている。第２電極６２は導体であり、例えば、Ｃｕである。第１配線５２は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。第１配線５２は、例えば、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号を有する非磁性金属である。電源７１は、第１配線５２の第１端と第２端に接続されている。測定部８１は、第２電極６２と第１配線５２とに接続され、磁気抵抗効果素子１００の積層方向の抵抗値を測定する。

電源７１により第１配線５２の第１端と第２端との間に電位差を生み出すと、第１配線５２に沿って電流が流れる。第１配線５２に沿って電流が流れると、スピン軌道相互作用によりスピンホール効果が生じる。スピンホール効果は、移動するスピンが電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる現象である。スピンホール効果は、第１配線５２内にスピンの偏在を生み出し、第１配線５２の厚み方向にスピン流を誘起する。スピンは、スピン流によって第１配線５２から第１強磁性層１０に注入される。

第１強磁性層１０に注入されたスピンは、第１強磁性層１０の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層１０は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて、磁化反転する。第１強磁性層１０の磁化の向きと第２強磁性層２０の磁化の向きとが変化することで、磁気抵抗効果素子１００の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１００の積層方向の抵抗値は、測定部８１で読み出される。すなわち、図９に示す磁気記録素子２０１は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）型の磁気記録素子である。

（実施例１）
図１に示す磁気抵抗効果素子１００を作製した。各層の構成は、以下とした。
下地層５０：Ａｇ、厚み７０ｎｍ
第１強磁性層１０
第１層１１：Ｃｏ_２Ｍｎ_βＳｉ_γ（β＝０．９５、γ＝０．９５）、厚み１０ｎｍ
第２層１２：ＣｏＦｅ合金、厚み２ｎｍ
重金属層１３を構成する重金属：Ａｇ、厚み０．４１ｎｍ
非磁性金属層３０：Ａｇ、厚み５ｎｍ
第２強磁性層２０
第１層２１：Ｃｏ_２Ｍｎ_βＳｉ_γ（β＝０．９５、γ＝０．９５）、厚み８ｎｍ
第２層２２：ＣｏＦｅ合金、厚み２ｎｍ
重金属層２３を構成する重金属：Ａｇ、厚み０．４１ｎｍ
キャップ層６０：Ｒｕ、厚み５ｎｍ

（実施例２から実施例５）
実施例２から実施例５は、重金属層１３を構成する重金属を変えた点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様にした。

（実施例６から実施例２６）
実施例６から実施例２６は、第１層１１、２１を構成するホイスラー合金の組成を変えた点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様にした。実施例６～実施例１６では、γを０．９５に固定し、βを０．４～１．７の間で変化させている。実施例１７～実施例２６では、βを１．３に固定し、βを０．５５～１．４５の間で変化させている。

（比較例１）
比較例１は、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０が重金属層１３、２３を有さない点が実施例１と異なる。その他の条件は、実施例１と同様にした。

実施例１から実施例２６及び比較例１の結果を、表４にまとめた。表４に示すように、実施例１から実施例２６は、比較例１に対してＭＲ比が高くなっている。また、表４に示されるように、２＜β＋γ＜２．６であるとき、実施例に係る磁気抵抗効果素子は１０を超えるＭＲ比を有することができる。この大きなＭＲ比は、ホイスラー合金は、２＜β＋γ＜２．６であるとき、ハーフメタル特性を有し易くなり、このハーフメタル特性を有するホイスラー合金が、大きな磁気抵抗効果を示した結果である。

以上、実施形態及び実施例によって本発明を説明してきたが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、様々な変形態様が可能である。例えば、上記実施形態の磁気抵抗効果素子１００は、ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）構造ではなく、積層面方向に沿って検出用電流が流されるＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ Ｐｌａｎｅ）構造を有することができる。

本実施形態を満たす磁気抵抗効果素子によれば、高いＭＲ比を得ることができ、上記の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッド、センサ、高周波フィルタ又は発振素子は、磁気抵抗効果が大きいため、これに起因する優れた特性を発揮することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｃ 第１強磁性層
１１、１１Ｃ、２１、２１Ｃ 第１層
１２、１２Ｃ、２２、２２Ｃ 第２層
１３、１３Ａ、１３Ｃ、２３、２３Ｃ 重金属層
１４、１４Ａ 第１領域
１５、１５Ａ 第２領域
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 第２強磁性層
３０、３０Ｃ 非磁性金属層
４０ 基板
５０、５０Ｃ 下地層
５１ 第１電極
５２ 第１配線
６０、６０Ｃ キャップ層
６１、６２ 第２電極
７０、７１ 電源
８０、８１ 測定部
１００、１０１、１０２、１０３ 磁気抵抗効果素子
２００、２０１ 磁気記録素子

Claims (14)

1. 第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性金属層と、を備え、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち少なくとも一方は、ホイスラー合金を含む第１層と、第２層と、前記第１層と前記第２層との間に位置し重金属領域を含む重金属層と、を有し、
   前記重金属領域は、原子番号が３９以上の重金属元素を含み、
   前記重金属領域は、不連続又は開口を有する連続な領域であり、
   前記重金属領域の格子定数と前記第１層及び前記第２層の格子定数との格子整合度が、５％以内である、磁気抵抗効果素子。
2. 前記重金属層の厚みが、前記重金属元素の直径の３倍以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記重金属元素は、Ａｇ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｈからなる群から選択される何れか一つ以上である、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性金属層と、を備え、
   前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち少なくとも一方は、ホイスラー合金を含む第１層と、第２層と、前記第１層と前記第２層との間に位置し重金属領域を含む重金属層と、を有し、
   前記重金属領域は、原子番号が３９以上の重金属元素を含み、
   前記重金属領域は、不連続又は開口を有する連続な領域であり、
   前記重金属元素は、組成式Ｐｔ_αＺ_１－αで示され、
   組成式におけるＺは、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕからなる群から選択される何れか一つ以上である、磁気抵抗効果素子。
5. 組成式におけるαが０．６＜α＜０．９を満たす、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記重金属元素は、Ａｇ又はＡｇを含む合金である、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記重金属元素は、前記非磁性金属層を構成する元素を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記ホイスラー合金は、組成式Ｃｏ_２Ｌ_βＭ_γで表され、
   組成式におけるＬは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒからなる群から選択される何れか一つ以上であり、
   組成式におけるＭは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅからなる群から選択される何れか一つ以上である、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
9. 組成式におけるβとγが２．０＜β＋γ＜２．６を満たす、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記第２層が、ＣｏとＦｅとを含む合金である、請求項１～９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記第１層は、前記第２層より前記非磁性金属層の近くに位置する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
12. 第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性金属層と、を備え、
    前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち少なくとも一方は、ホイスラー合金を含む第１層と、第２層と、前記第１層と前記第２層との間に位置し重金属領域を含む重金属層と、を有し、
    前記重金属領域は、原子番号が３９以上の重金属元素を含み、
    前記重金属領域は、不連続又は開口を有する連続な領域であり、
    前記第１層の膜厚は、前記第１層のスピン拡散長より厚く、
    前記第２層の膜厚は、前記第２層のスピン拡散長より薄い、磁気抵抗効果素子。
13. 前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層が、前記第１層と前記第２層と前記重金属領域を含む重金属層と、を有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
14. 第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性金属層と、を備え、
    前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層は、ホイスラー合金を含む第１層と、第２層と、前記第１層と前記第２層との間に位置し重金属領域を含む重金属層と、を有し、
    前記重金属領域は、原子番号が３９以上の重金属元素を含み、
    前記重金属領域は、不連続又は開口を有する連続な領域であり、
    前記第１強磁性層における重金属層の面積と、前記第２強磁性層における重金属層の面積とが異なる、磁気抵抗効果素子。

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